CN111537788A - 变频电机功率修正方法及用电设备 - Google Patents

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李洋
方小斌
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Abstract

本发明公开了变频电机功率修正方法及用电设备，变频电机功率修正方法包括以下步骤：对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样；遍历任意时刻的一个采样数据点和与其相差1/4个周期的另一个采样数据点作为有效数据点组合；选取同一时刻的电压有效数据点组合和电流有效数据点组合，计算对应的电压有效值、电流有效值和功率因数夹角；根据电压有效值、电流有效值和功率因数夹角计算得到该时刻的功率。本发明的功率计算过程简单，且计算结果准确有效。

Description

变频电机功率修正方法及用电设备
技术领域
本发明涉及功率计算方法，尤其涉及变频电机功率修正方法及用电设备。
背景技术
压缩机由于特殊的励磁结构，通常采用变频驱动的控制方式。控制拓扑如图1所示，u0、i0分别为输入信号中的电压信号和电流信号，D1、D2、D3、D4为整流二极管，C为直流母线充电电容，S1、S2、S3、S4、S5、S6为逆变开关管，n0为压缩机转速，即压缩机的电机转速。对压缩机消耗能量进行电量统计时，其负载特性会随着转速n0的变化而发生改变，即功率角度会随着转速的变化而呈现出动态变化。若采用传统P＝UI的功率计算方法对电量进行统计，则会产生较大误差，统计出的电量不准确，影响用户的使用体验。
因此，如何设计能准确计算功率的变频电机功率修正方法及用电设备是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决传统功率计算方法存在较大误差的缺陷，本发明提出变频电机功率修正方法及用电设备，功率计算过程简单，且计算结果准确有效。
本发明采用的技术方案是，设计变频电机功率修正方法，包括以下步骤：
对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样；
遍历任意时刻的一个采样数据点和与其相差1/4个周期的另一个采样数据点作为有效数据点组合；
选取同一时刻的电压有效数据点组合和电流有效数据点组合，计算对应的电压有效值、电流有效值和功率因数夹角；
根据电压有效值、电流有效值和功率因数夹角计算得到该时刻的功率。
在一实施例中，对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样的同时，依次标记采样数据点的序号k；
选取u(k1)、u(k2)为电压有效数据点组合，i(k1)和i(k2)为电流有效数据点组合，k1-k2＝N/4，N为一个周期内的采样点数。
功率为采样数据点k1所在时刻的功率。
其中，输入信号的频率为f，采样频率为fs，则N＝fs/f。
更详细的计算过程是，电压有效值为U，
Figure BDA0002507462900000021
电流有效值为I，
Figure BDA0002507462900000022
功率因数夹角为
Figure BDA0002507462900000023
Figure BDA0002507462900000024
功率为P，
Figure BDA0002507462900000025
u(k1)的计算公式为：u(k1)＝u(n1Ts)，u为电压信号的幅值、Ts为1/fs、fs为采样频率、n1Ts＝k1；
u(k2)的计算公式为：u(k2)＝u(n2Ts)，n2Ts＝k2；
i(k1)的计算公式为：i(k1)＝i(n1Ts)，i为电流信号的幅值；
i(k2)的计算公式为：i(k2)＝i(n2Ts)。
上述计算公式中幅值的获得方式是，监测输入信号中电压信号得到电压信号的幅值，监测输入信号中的电流信号得到电流信号的幅值。
本发明还提出了用电设备，包括：变频电机和驱动电频电机运行的控制模块，控制模块采用上述的变频电机功率修正方法计算功率。
在一实施例中，用电设备为空调，空调具有采用变频电机的压缩机。
在又一实施例中，空调为多联机空调。
与现有技术相比，本发明选取任意时刻的一个采样数据点和与其相差1/4个周期的另一个采样数据点作为有效数据点组合，根据两点之间的数字特征，计算得到电压有效值、电流有效值和功率因数夹角，最后利用电压有效值、电流有效值和功率因数夹角得到变频电机在任意时刻的功率，计算过程比较简单且结果准确。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是现有压缩机的变频控制拓扑结构图；
图2是本发明中功率修正方法的流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明提出的变频电机功率修正方法基于现有的变频控制拓扑结构，变频电机常见使用在压缩机中，以压缩机为例，功率修正方法包括以下步骤：
对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样；
遍历任意时刻的一个采样数据点和与其相差1/4个周期的另一个采样数据点作为有效数据点组合；
选取同一时刻的电压有效数据点组合和电流有效数据点组合，计算对应的电压有效值、电流有效值和功率因数夹角；
根据电压有效值、电流有效值和功率因数夹角计算得到该时刻的功率。
在一实施例中，对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样的同时，依次标记采样数据点的序号k，第一个采样数据点的序号为1，第二个采样数据点的序号为2，以此类推。
采样完成后，选取u(k1)、u(k2)为电压有效数据点组合，i(k1)和i(k2)为电流有效数据点组合，k1-k2＝N/4，N为一个周期内的采样点数，即有效数据点组合中的两个采样数据点序号相差的采样点数为N/4，从时间上来说刚好相差1/4个周期，两个采样数据点相差1/4个周期即相角度相差π/2，方便后续计算进行正余弦转换，起到消参数的作用，有且仅有相差1/4个周期能起到该作用，否则会大幅增加需要采样的参数，不仅计算复杂，而且影响结果的准确性。需要说明的是，N的计算方式是通过输入信号的频率f和采样频率fs计算得到，则N＝fs/f。
根据电压有效数据点和电流有效数据点组合分别计算该时刻的电压有效值、电流有效值和功率因数夹角，再计算得到功率，此功率为采样数据点k1所在时刻的有功功率。
电压有效值U的计算过程如下，其中，u为电压信号的幅值、α1为电压的相位角、n1Ts＝k1、n2Ts＝k2、Ts为1/fs。
电压信号的离散表达式为：
Figure BDA0002507462900000031
Figure BDA0002507462900000032
根据三角函数关系可以由(2)式得到：
Figure BDA0002507462900000041
通过(1)和(3)式可以得到：
Figure BDA0002507462900000042
电流有效值I的计算过程如下，其中，i为电流信号的幅值、α2为电流的相位角，相同符号的参数已在电压计算过程中进行说明，在此不再赘述。
电流信号的离散表达式为：
Figure BDA0002507462900000043
Figure BDA0002507462900000044
根据三角函数关系可以由(6)式得到：
Figure BDA0002507462900000045
通过(5)和(7)式可以得到：
Figure BDA0002507462900000046
由电压幅值u的数学解析式可以得到其向量表达式为：
Figure BDA0002507462900000047
电压信号的向量实部幅值为第二个采样数据点，虚部幅值为第一个采样数据点即：
Figure BDA0002507462900000048
同理电流I的向量表达式为：
Figure BDA0002507462900000049
将母线电容以及压缩机等效为一个负载，设其等效阻抗为Z,则任意时刻Z的表达式为：
Figure BDA0002507462900000051
则可以得到任意时间的阻抗角，其中angle(Z)＝α1-α2为电压电流相角度差值，即功率因数角
Figure BDA0002507462900000052
为：
Figure BDA0002507462900000053
Figure BDA0002507462900000054
功率P的计算过程如下。
Figure BDA0002507462900000055
上述计算公式中幅值的获得方式是，监测输入信号中电压信号得到电压信号的幅值u，监测输入信号中的电流信号得到电流信号的幅值i，由于输入信号一般比较稳定，实际应用时，在输入信号初始状态监测一定时间即可获得幅值，不需要持续监测。
需要说明的是，电流信号及电压信号的采样同步进行，采集后存入储存模块中，当需要计算某一时刻的功率时，调用储存模块中的数据即可快速准确进行计算，实现对任意时刻的功率进行追踪和辨识。
本发明还提出了用电设备，包括：变频电机和驱动电频电机运行的控制模块，控制模块采用上述的变频电机功率修正方法计算功率，用电设备可以是空调等具有压缩机的电器，多联机空调尤其适合采用本发明的变频电机功率修正方法计算功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变频电机功率修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样；
遍历任意时刻的一个采样数据点和与其相差1/4个周期的另一个采样数据点作为有效数据点组合；
选取同一时刻的电压有效数据点组合和电流有效数据点组合，计算对应的电压有效值、电流有效值和功率因数夹角；
根据所述电压有效值、电流有效值和功率因数夹角计算得到该时刻的功率。
2.根据权利要求1所述的变频电机功率修正方法，其特征在于，对输入信号中的电压信号和电流信号进行周期性采样的同时，依次标记采样数据点的序号k；
选取u（k1）、u（k2）为电压有效数据点组合，i（k1）和i（k2）为电流有效数据点组合，k1-k2=N/4，N为一个周期内的采样点数；
所述功率为采样数据点k1所在时刻的功率。
3.根据权利要求2所述的变频电机功率修正方法，其特征在于，所述输入信号的频率为f，采样频率为fs，则N=fs/f。
4.根据权利要求3所述的变频电机功率修正方法，其特征在于，所述电压有效值为U，
Figure 372288DEST_PATH_IMAGE002
；
所述电流有效值为I，
Figure 63294DEST_PATH_IMAGE004
；
所述功率因数夹角为φ，
Figure 648996DEST_PATH_IMAGE006
；
所述功率为P，P=UIcosφ。
5.根据权利要求4所述的变频电机功率修正方法，其特征在于，u（k1）的计算公式为：
Figure 219786DEST_PATH_IMAGE008
，u为电压信号的幅值、Ts为1/fs、fs为采样频率、n1Ts=k1；
u（k2）的计算公式为：
Figure 474793DEST_PATH_IMAGE010
，n2Ts=k2；
i（k1）的计算公式为：
Figure 812234DEST_PATH_IMAGE012
，i为电流信号的幅值；
i（k2）的计算公式为：
Figure 65492DEST_PATH_IMAGE014
。
6.根据权利要求5所述的变频电机功率修正方法，其特征在于，监测所述输入信号中电压信号得到电压信号的幅值，监测所述输入信号中的电流信号得到电流信号的幅值。
7.一种用电设备，包括：变频电机和驱动所述电频电机运行的控制模块，其特征在于，所述控制模块采用权利要求1至6任一项所述的变频电机功率修正方法计算功率。
8.根据权利要求7所述的用电设备，其特征在于，所述用电设备为空调，所述空调具有采用所述变频电机的压缩机。
9.根据权利要求8所述的用电设备，其特征在于，所述空调为多联机空调。
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